欢迎进入东莞天溪电子元件有限公司网站
全国服务热线
+86-769-87795279
常见问题
为什么说,引力是人类科学史上的“疑难杂症”?
时间: 2020-03-20 13:44
你认为引力简单吗?说实在的,引力是四大基本力中最“玄乎”的一种力。你说它简单它就简单,你说它难它可是真是难,引力是我们人类最早发现的、也是最直观的一种自然力,但就

你认为引力简单吗?说实在的,引力是四大基本力中最“玄乎”的一种力。你说它简单它就简单,你说它难它可是真是难,引力是我们人类最早发现的、也是最直观的一种自然力,但就目前来说也是我们最不理解的一种力。虽然经过了牛顿理论再到爱因斯坦理论的对引力的修正,我们似乎已经掌握引力,并且利用我们已知的引力理论将探测器也发射到了非常遥远的星球,如冥王星,其精确度可达12公里。

但有时我们的引力模型并不完全符合现实情况。即使是爱因斯坦的引力理论在天文测量上也存在异常且微小的差异。所以引力自古以来就是人类科学上的一个疑难杂症!今天我们就聊下,引力的发展以及目前还存在哪些问题?这些问题很有可能会导致我们对宇宙产生全新的认识。

1687年,牛顿以一篇跨时代的历史巨著首次提出了万有引力,人类这才知道原来两个质量物体之间存在吸引力,这一些就解释了我们以前根本就无法解释的事情。例如:开普勒在牛顿之前就提出了行星运行的三大定律,这就太阳系行星的运行提出了一个精确的理论模型,但是开普勒并不知道这些行星为何要绕太阳运行,引力的发现就解决了这个问题。至此我们就能已非常好的精度去预测太阳系行星的运行轨道。

那么到了19世纪中期,很明显,人们发现天王星的轨道与牛顿理论的预测不一致,尤其是与开普勒第二定律的表述不一致:行星在其轨道上运行应该在相同的时间扫过相同的区域。但天王星就违背的这条规律,在一段时间内天王星的移动速度比预测的要快(扫过的面积太大),再后来又比预测的要慢(扫过的面积太少)。

约翰·库奇·亚当斯(John Couch Adams)和乌尔班·勒维耶(Urbain Le Verrier)认为,天王星出现这种偏差可能是由于一颗未被发现的行星的引力作用造成的,他们独立计算这颗未知行星可能的位置。于是人们在1846年就发现了海王星的存在。牛顿引力就算是躲过了一劫。

1859年,勒维耶又对水星的轨道做了详细的分析,发现它也偏离了牛顿引力的预测。于是人们就效仿天王星的问题,预测可能在水星轨道内部存在一颗离太阳更近的行星,称之为火神星。然而,这种一厢情愿并没有解决实际的问题,事实上水星的异常是由于牛顿理论的不完整造成的。1915年,阿尔伯特·爱因斯坦证明了水星的异常可以用广义相对论来解释。虽然我们最终没有得到一颗全新的行星,但我们对宇宙有了全新的认识。

通过对牛顿引力的完善,多年来我们对轨道运动的测量和预测已经变得十分精确,但仍有存在一些偶然的异常现象。其中最著名的可能是“先锋异常”。

“先锋10号”和“先锋11号”探测器于20世纪70年代初发射,是首批前往外太阳系的探测器。虽然探测器在进入太空后的工况比人们当时预期的要好,但在其飞行过程中却发现了异常。先锋号宇宙飞船在远离太阳时逐渐减速,这一点在科学家的预料之中,主要是由于太阳的引力作用,部分是由于太阳系中存在的气体和尘埃会产生一些阻力。但是,当我们所有的因素都考虑进去后,还是发现先锋号探测器的速度比预期的要慢一些,也就是说有一种神秘的力量在阻挡探测器前进,这种额外的减速非常小,但在一年的时间里,探测器就会偏离预测位置近400公里。

先锋号的异常现象导致科学家开始讨论这种现象的原因,有些人猜测这可能是新物理学的一个标志,一些人认为可以通过修正引力模型来解决这个问题,还有其他人认为这可能与暗能量有关。2012年,人们找到了一个更普通、也更简单的一个解决方案。

先锋探测器是通过放射性同位素热电发生器(RTG)来提供核动力。RTGs会均匀地释放热量,而这些辐射会被发射到探测器的探头上(也就是前面那个大锅盖)导致热反冲现象。但这只是一个猜测。

另外一种航天器运行的异常现象被称为“飞越异常”。我们在航天器进入的深空的时候会让航天器绕其他行星轨道飞行,然后为航天器加速,这就是我们常说的引力弹弓效应,但在这个过程中航天器的速度与理论偶尔会出现偏差。

这一异常现象在1990年伽利略号的飞掠中首次被观察到,当时对其运动的仔细测量发现,飞掠后的航天器速度比预期要快4毫米/秒。1992年伽利略号第二次飞越地球时,没有发现异常现象。1998年,NEAR探测器的速度增加了13毫米/秒。1999年,卡西尼号没有出现任何异常现象。罗塞塔号在2005年的飞跃中出现了异常,但在随后的飞跃中没有,信使号探测器也没有出现异常。

这种时断时续的反常现象很是奇怪。人们排除了行星的自转拖曳效应,横向多普勒效应,但标准物理学就是无法解释这一异常现象,于是人们就提出了更大胆的设想,如改进的引力理论、围绕行星的暗物质晕,甚至还有一种被称为“哈勃尺度卡西米尔效应”的量子引力过程。

当然,想要解释航天器飞掠异常现象的困难在于,这种异常现象时有时无,不是每次都会发生,而且设计上完全不同的航天器异常数据还不一样。所以科学家就提出了一些实验来研究这种现象,比如欧空局的时空探索者和量子等效原理空间测试(st - quest),这些实验将研究原子是如何在地球的偏心轨道上下落的,但是到目前为止实验并没有得到任何资助。所以这种异常现象目前还是无法解释。

引力测量的异常并不局限于航天器。甚至连我们的月球也不像我们预期的那样移动。在阿波罗计划期间,宇航员在月球上安置的激光测距反射装置。我们可以用激光测距对月球轨道进行极其精确地测量。目前我们对月球的轨道运行情况已经积累了数十年的数据,这使得我们对月球轨道运动的理解成为太阳系中已知的最精确的天体。例如,通过测距得知,随着地球和月球之间的潮汐相互作用,地球会将自转角动量传递给月球,因此月球距地球的平均距离每年会增加3.8厘米。

随着时间的推移,潮汐作用也会影响月球轨道的形状,也就是月球轨道的偏心率。但即使我们将潮汐作用考虑在内,还有一个额外变化仍无法解释。也就是,月球的远地点和近地点之间的距离每年都在以额外3.5毫米的速度发生变化,我们目前并不知道这是为什么!

也许真的有可能在外太阳系还存在一颗行星,也就是我们所说的行星9,是它的微小引力造成了以上的轨道异常,也许是其他更加微妙的因素我们没有考虑到,也许是爱因斯坦的引力理论存在某种缺陷?

其实这些微小的异常并不会给我们探索外太空造成任何困扰。但是这些异常也需要我们在未来去解释,科学就是在不断解释问题的过程中才会完善,如果哪天我们不再发现问题,那科学也就停滞不前了。

Copyright © 东莞天溪电子元件有限公司 版权所有 粤ICP备072843475
全国服务电话:+86-769-87795279   传真:+86-769-87795527
公司地址:广东省东莞市樟木头镇裕丰管理区金河工业一路